Présentation Thèse Johan Jouves

Analyse quantitative de l’impact de la karstification sur l’emmagasinement en
eau d’une épaisse série carbonatée
- Méthodologie de reconstruction stochastique des structures karstiques.
Sujet de thèse de doctorat – M. Johan Jouves
(démarrage en octobre 2013)
Université Aix-Marseille, CEREGE Centre Saint Charles
Bourse CIFRE – Entreprise CENOTE
La thèse de doctorat de Johan Jouves fait partie du projet de recherche DARDENNES (2013-2016)
dirigé par l'Université Aix-Marseille, Laboratoire CEREGE, en collaboration avec CENOTE, Véolia,
la Ville de Toulon et l'Agence de l'EAU RMC.
La connaissance des phénomènes karstiques constitue un enjeu de plus en plus important pour le
design et la construction en génie civil ainsi que la gestion des ressources en eaux souterraines dans les
régions karstiques, notamment en termes de prédiction de la localisation et d’estimation des
dimensions et de la géométrie des structures karstiques, mais aussi en termes de fonctionnement
hydrosédimentaire.
La présence de réseaux karstiques dans les roches de sub-surface a un impact important sur
l'écoulement des fluides souterrains (eau ou hydrocarbures) et sur la stabilité des sols (effondrements
types « sinkholes » karstiques, surcoûts liés à la présence de remplissages karstiques au niveau de
fondations d’ouvrages, surpressions en périodes de crues et inondations). Cependant, les réseaux
karstiques sont des systèmes de géométrie et d’hydrodynamique complexes, vulnérables, délicats à
gérer et à caractériser.
A ce jour, les écoulements impliquant des réseaux karstiques sont majoritairement étudiés en analysant
les entrées et sorties du système, par le biais des méthodes dites des “modèles de boîtes”. Dans ce type
de travaux, le réseau karstique est considéré comme une “boîte noire” et défini par des paramètres qui
sont calibrés en fonction des données d'entrée et sortie du système. Des modèles plus souples et
structurés (gray-box model ; Siou, 2011 ; Dörfliger et al., 2008 ; Fleury et al., 2009) ont été proposés
afin de mieux caractériser la structure interne du système. Toutefois, même si ces modèles permettent
de caractériser globalement le système et de donner des estimations globales de certains de ses
paramètres (capacité, etc.), ils ne permettent pas de gérer des problèmes ponctuels (cibler un conduit
karstique par le forage d'un puits, estimer la présence et la forme d’une cavité karstique sous les
fondations d’un projet de génie civil, etc.). De plus, ces modèles étant déterministes, ils ne permettent
pas d'intégrer les incertitudes a priori liées aux imprécisions et manques de données et d'estimer les
incertitudes a posteriori engendrées qui concernent les caractéristiques de l'aquifère.
Des méthodes stochastiques ont été proposées dans le domaine pétrolier pour effectuer des analyses de
risques intégrant les incertitudes a priori et permettant d'évaluer la variabilité des caractéristiques d’un
réservoir en fonction de ces incertitudes. Ces approches, appelées modélisations géostatistiques,
permettent de générer à partir des données disponibles un ensemble de modèles possibles d'une réalité
géologique (faciès, réseaux de fractures, propriétés pétrophysiques, etc.). Cet ensemble de modèles se
doit de correspondre à un échantillon représentatif des possibles sur lequel des études de sensibilité et
d'analyse de risques sont effectuées. Depuis les années 70-80, plusieurs algorithmes ont été proposés
pour modéliser les propriétés pétrophysiques, les faciès ou les réseaux de fractures. Toutefois, ce n'est
que très récemment que ce type de travaux s'est intéressé à la simulation stochastique de réseaux
karstiques.
Appliquer une telle approche demande de:
1) Caractériser la géométrie et la connectivité des réseaux karstiques observés : cette caractérisation
consiste à réaliser des déterminations spéléogénétiques des structures de drainage. Ces structures
constituent des réseaux karstiques d’âge différents et corrélatifs de conditions de circulations au sein
du réservoir de l’amont à l’aval du système hydrogéologique au cours de l’évolution géodynamique du
massif;
2) Reproduire une série de simulations de ces réseaux karstiques sur une zone d'étude, conditionnées
aux données disponibles - ces données correspondent per exemple :
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- à la géométrie de la structure de drainage, fournie par la reconstitution 3D des réseaux karstiques de
nature différente,
- à l’état et à la géométrie de la zone de recharge,
- à la nature de cette recharge en termes d’infiltration diffuse ou concentrée,
- à la position de la zone de restitution, c’est-à-dire la position du niveau de base ;
3) Faire une analyse statistique de certaines caractéristiques réservoirs (volumétrie, connectivité entre
2 points, écoulement, etc.) sur la base des modèles stochastiques générés – Ces paramètres différent ou
évoluent de façon prévisible de la zone de recharge à la source et au fur et à mesure qu’un nouveau
système karstique se structure en réutilisant les discontinuités induites par les réseaux karstiques
antérieurs.
L'analyse dynamique du réservoir demande de réaliser des simulations d'écoulement sur les modèles
générés. Des efforts restent à fournir aujourd'hui pour chacune des étapes de ce protocole.
Cette thèse s’intègre dans le cadre d’un projet plus vaste de caractérisation du karst de la région
Toulonnaise. En effet, la diversité des formes karstiques observées dans ce secteur favorise
l’acquisition de données de qualité. D’autres exemples bien documentés correspondant à des secteurs
touchés par des enjeux démographique (pour la gestion durable et la préservation de la ressource en
eau) ou technologiques (pour les infrastructures à longues durée de vie comme les LGV, les barrages,
les centrales énergétiques, les sites de stockage) seront aussi pris en compte dans ce travail. Le projet
de thèse consistera à :
- recenser et déterminer les principaux types de phénomènes karstiques observés et leur corrélation
avec la structuration des réservoirs karstiques en fonction des contraintes géodynamiques ;
- analyser statistiquement les propriétés géométriques, topologiques et texturales des réseaux
karstiques ;
- générer des modèles 3D de réseaux karstiques probables et les propriétés pétrophysiques associées.
- Effectuer une analyse de risque sur les modèles générés.
- Confronter les systèmes reconstitués en termes de géométrie et d’écoulement avec les données
géophysiques, géologiques et hydrodynamiques disponibles. Cette comparaison consistera en
particulier à définir la cohérence entre des types de fonctionnement hydraulique (connus ou mesurés)
et les modèles de structuration des réseaux karstiques.
Direction de la thèse
Pr. Y. Guglielmi, email : [email protected]
Université Aix-Marseille, CEREGE Centre Saint Charles
Case 67 - 3 Place Victor Hugo
13331 MARSEILLE cedex 3
Contacts :
Doctorant J. Jouves, email [email protected]
Entreprise CENOTE : H. Camus, G. Maistre, www.cenote.fr
Site internet www.karsteau.fr
M. Bruno Arfib, Maître de Conférences, email : [email protected]
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